(57)【要約】 異なる直径(d,D)からなる羽根を持つ、複数のアセンブリタービン(2,4)から構成され、投資額にもよるが、最低でも直径(d)が1.05であり、ブレード(3)の下部アセンブリ(2)の長さの半分の上に設置されるアセンブリ(4)の羽根(5)の長さの直径(D1)を持つもの。羽根(5)の翼弦(C1)が、底部アセンブリ(2)の長さの半分程度の羽根(3)の翼弦(c)が1.02から1.7であるもの。羽根の接線の角度が1度から9度であるもの。内部と外部の空力両凸翼断面のラインが異なるもの。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直に回転する軸を有する風力タービンで、発電施設のメインシャフト上に空気力学的な断面を持つ複数の羽根からなるアセンブリを有し、それが固定の角度でフェーズによりシフトするとともに、設置した場所の高さにより変化するブレード(3,5)のアセンブリ(2,4)の直径により特徴付けられ、羽根(5)の各上部のアセンブリ(4)の長さの半分の直径(D=1,2,3…)が、最低でも直径(d)の1.05であり、羽根(3)の下部アセンブリ(1)の長さの半分であるもの。
【請求項２】
請求項1の風力タービンで、ブレード(5)のより大きな翼弦(Ci=1,2,3…)上に設置されたアセンブリ(4)に特徴付けられるものであって、これは下部アセンブリ(2)のブレード(3)の翼弦（d）からの長さの半分である。そして上部に設置されたアセンブリ(A)の羽根(5)の半分の長さである翼弦(Ci=1,2,3…)は、下部アセンブリ(1)の羽根(3)の長さの半分である翼弦(d)の1.02から1.7であり、若しくは1.1から1.3であるもの。
【請求項３】
請求項1若しくは2の風力タービンで、羽根(3,5)の接線の角度(y)が1度から9度、望ましくは2度から5度であるもの。
【請求項４】
請求項1、2、3のいづれか一に記載の風力タービンで、翼弦線内部の空力両凸翼断面(3,5)の幅が、外部の空力両凸翼断面（c,Ci=1,2,3...）の幅の1.05から2、若しくは1.3から1.7であるもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直の回転軸のメインシャフトを有する風力タービンに関するものである。
【０００２】
このタービンは、発電装置のメインの垂直シャフト上に複数の羽根を有しており、互いに固定または可変の角度を有するものである。
【背景技術】
【０００３】
特許US 20120201687 Al号で記載されている「Vertical axis windturbine wing and its wind rotor（垂直軸の風力タービンとその風車）」は、単一レベルの風車であり、その羽根の断面が空気力学的な輪郭を形作っており、羽根がそうした湾曲を有し、羽根の上端と下端の間に角度のずれがあることに特徴がある。
【０００４】
特許UK 2463957-A号に記載されている別の解決策である「Multiple rotor vertical axis windturbine（多回転垂直軸風力タービン）」は、大きな数のジェネレーターを持ち、そのジェレーターに、各々が互いに独立して動く多数のローターが接続されているものである。
【０００５】
ポーランドの特許出願第PL 396608号「Wind turbine with verticalaxis of rotation with rotor divided into independently moving segments（垂直回転軸を有する風力タービンで、独立して動作するセグメントに分割されたローターを有するもの）」に含まれる解決策は多段階の風力タービンであり、各ローターが互いに独立して動作するとともに、角度を固定することにより動作中はシフトしない、つまり速度と位置は制御システムにより制御されるという特徴を持つ。本申請は、出願番号UK 2463957-Aとの類似性のために出願が拒絶されている。
【０００６】
出願番号WO 2016/030821 Al号の「Three-vane double rotor for verticalaxis wind turbine(垂直軸風力タービン用の３羽根ダブルロータ)」は、100％の閉塞率を特徴とする３翼ドラグ型ダブルロータ風力タービンを指し、水平板と同じ高さの部品によって分離されているものである。出願番号WO 2013/046011 A2「turbine for the production ofelectric energy（電気エネルギー生成タービン）」は、ガスまたは液体の抗力形タービンであり、水平板によって分割された軸から構成され、各シャフトとのズレにより角度を可変する湾曲したタイルと、高さが同一なタイルから構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許US 20120201687 Al号
【特許文献２】特許UK 2463957-A号
【特許文献３】ポーランドの特許出願第PL 396608号
【特許文献４】出願番号WO 2016/030821 Al号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
今日、産業用風力タービンはすべて水平軸風力タービン（HAWT）である。安価でより効率的な代替手段として、大規模垂直軸風力タービン(VAWT)がしばしば取り上げられてきたが、垂直軸風力タービンの運転中の曲がり上限値の問題や、数値の変動により重要な部品の疲労から耐用年数が減少するといった重大な問題により、いずれも成功しなかった。
【０００９】
どちらの問題も、発電所の耐久性の著しい低下をもたらし、それは基礎または構造への非常に急速な損傷により明白なものとなる。さらに、多数の利点にも関わらず、そのような限られた寿命で建造することに対する経済的正当性への欠如として断じられることになる。時には、構造の強度を増すための大規模な構造を作ることによって部分的に解決されうるものの、工業業界の規模で考えるとプラントの計画運転寿命に対して不十分であるとともに、必要な資材が増加することから費用がかさむことになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例証としての実施形態における風力タービン。これは 2つの羽根のアセンブリを備えた風力タービンの正面図をである。
【図２】図1のタービンの上面図。
【図３】図1のタービンの等角投影図。
【図４】2つの羽根のアセンブリを持つ風力タービンの正面図。
【図５】図4の風力タービンの上面図。
【図６】図4のタービンの等角投影図である。
【図７】下部アセンブリの羽根の端の図。
【図８】アセンブリの羽根の端のW2の図。
【符号の説明】
【００１１】
１：メインシャフト
２：アセンブリ
３：羽根
４：2番目の羽根のアセンブリ
５：羽根
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明における風力タービンは、羽根のアセンブリの直径が、その設置した高さが増加するに従って、設置された翼の中央の長さの直径が変化することを特徴とするものである。羽根のアセンブリは、風速勾配に応じて、最も低い羽根の長さの半分であり、少なくとも直径1.05である。
【００１３】
さらに、上に配置されたアセンブリは、下側アセンブリの羽根の半分の長さよりも長い翼弦長を有する。弦長は上部に設置された羽根の半分の長さであり、下に設置された羽根の半分の長さである1.02から、下に設置されたアセンブリの羽の半分の長さである1.7までとなる。おそらく下の羽根の半分の弦長となる1.1から1.3になる。羽根のピッチ角度 - 羽が動く方向に対して羽根が取り付けられる角度は、1度から9度、好ましくは2から5度である。
【００１４】
翼弦の内側の空力的両凸翼の断面の幅は、翼弦の外側の空力的両凸翼の断面の幅の1.05から2.0であり、好ましくは翼弦の外側の空力的両凸翼の断面の幅の1.3から1.7である。
【００１５】
「風力タービン」という用語は、線形の速度で動く羽根を用いるように設計された風力発電を指し、サボニウス型風車のように抗力系風車と区別するために、まっすぐ入ってくる風の速度よりも羽根が速く動作するものである。
【００１６】
「ピッチの角度」は、固定翼の接点を決める空気力学的断面の翼弦と、風力タービンの翼の経路の円周に対する接線との間の角度を決定する。羽根の動きの軸の外側に位置する断面の偏差には、正の角度が仮定されている。
【００１７】
このような設計が、システムの空力効率を改善することになる。
【００１８】
数メートルを超える高さの構造物の作業条件に対応する高いレイノルズ数の場合、最適な羽根の速度比は、所定の高さにおける直線的な風の速度と関連する羽根の速度比として計算され、ほとんど変化することはない。高さが上がるのと同時に、予測される風速も変化する。これはつまり、高さに従い、運転時に予測された同じ特定の速度を維持するためには、翼の部分の角度を上昇させることが必要となり、もしくはすでに提示された解決方法が正しいと仮定して、高さが変わるのに従い、予測される風速勾配に対応して、アセンブリの直径を大きくすることが必要となる。
【００１９】
羽根断面の翼弦長を直径に合わせて調整することで、さらに効率を上げることができる。この効果得るためには均一である必要はなく、航空機の羽根の最適化において見られるように、特に羽根の先端において誘導渦の生成を制限するために翼弦の先端を絞ることは一般的である。
【００２０】
正確に選択した特定の速度範囲と、レイノルズ数では、最も効率的であると一般に考えられている対称的なNACAプロファイルを使用するときよりも、空力性能は高くなる可能性がある。非対称の断面は、所定の角度の班にないに設置され、羽根の運動軸の外側に狭い側面を持つ必要がある。
【００２１】
高さによる風速の変化の単純化されたイメージは、ポーランドの標準PN-77 B-02011が参考になる。しかし、高さによる風速の変化を計算するためには、より正確な2つの方程式、対数方程式とべき法則方程式が必要である。いずれもバリアントの数値がわずかに異なることがわかる。
【００２２】
対数方程式：
【化１】
2019529785.tif 000003
V1  -高さh1における風速
V2 - 高さh2における風速
Z0- 所定の地面の粗さと長さ
【００２３】
べき乗則の式：
【化２】
2019529785.tif 000004
V1  -高さh1における風速
V2 - 高さh2における風速
a- 所定の地面に対するヘルマン指数
【００２４】
高いレイノルズ数の範囲では、風速に対する羽根の部分の運動速度の最適な比率は、特定の空気学的断面に対して明確にすることが可能である。最適なパラメーターを維持するための最も簡単な方法は、高さに合わせてローターの直径を調整して、ローターの設置部分を特定の角速度で動作するようにして、より早く動作させるためにより長い直径上に設置することである。
【００２５】
上記の最適化は、高さに合わせた理想的な状態の速度変化を瞬間的に反映しないかもしれないものの、長期的みれば、一般的な風の状態によって拡張した動作をすることのないローターよりはるかに正確である。
【００２６】
必要であれば、採用する原理には、小さな変更、つまりローターはベースの近くで最も狭くなることを考慮に入れるべきである。例えば、高さが低い時の羽根の部分は、最もタービンのタワーに近くなる。タワー自体は比例的に狭くなるべきではなく、強度の理由から幅が広がることを効力に入れるべきであり、従ってこの手法をそのまま利用することにより、風力タービンのベース付近にある断面周辺の流れに対する、タワーの影響について観察することができる。ローターの直径、タワーの直径、所定の高さにおける風の断面の翼弦、そのほかタービンが設計された特定の天候状態などのパラメーターにより、ベース付近のローターを狭くするようにすることは、有益であると言える。
【００２７】
その例証としての実施形態における風力タービンを図1に示している。これは 2つの羽根のアセンブリを備えた風力タービンの正面図をである。図2は、図1のタービンの上面図であり、図3は図1のタービンの等角投影図である。図4は2つの羽根のアセンブリを持つ風力タービンの正面図である。図5は図4の風力タービンの上面図であり、図6は図4のタービンの等角投影図である。図7は下部アセンブリの羽根の端の図であり、図8はそのあとのアセンブリの羽根の端のW2の図である。
【００２８】
図1に示すように、タービンはメインシャフト1上に2つの羽根のアセンブリを持ち、最初の羽根のアセンブリ2は3つの羽根3を持ち、2番目の羽根のアセンブリ4も3つの羽根5を持つ。2番目のアセンブリ4の羽根5は、最初のアセンブリ2の羽根3と対応して、固定角60度で段階ごとに移動する。羽根5の2番目のアセンブリ4の直径「D1」は、直径「d」1.15の長さであり、これは最初の下部アセンブリの2つの羽根3の半分の長さである。
【００２９】
図4は図1に示すタービンと類似であり、二つの羽根のアセンブリをメインシャフト1に有するものである。最初の羽根のアセンブリ2は3つの羽根3を持ち、2番目の羽根のアセンブリ4は、3つの羽根5とブレード3を有し、5はメインシャフト1の回転軸と平行ではない。
図7と図8はアセンブリ2、4の羽根3、5を示している。
【００３０】
上方に位置するアセンブリ4は、羽根5により大きな翼弦「C1」を有する。下部アセンブリ2の羽根3の翼弦「c」の半分の長さである。また上部アセンブリ4の羽根5の長さの半分の翼弦「C1」は、翼弦「c」の長さの1.15である。これは下部アセンブリ2の羽根3の長さの半分である。
【００３１】
ここで示すように、翼弦と、風力タービン3,5の羽根の経路を表す円の間のピッチの角度「Y」は3度である。
【００３２】
さらに、翼弦ラインの内側の両凸羽根断面3,5の空力部分は、翼弦ライン3,5の外側の両凸翼羽根断面の空力部分の1.5倍の幅を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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